GIS用SF6/N2混合气体母线的研制

张垒 赵艳涛 闫飞越 张路阳

摘 要：SF6气体凭借优异的绝缘及灭弧性能，在GIS中广泛应用。但是，由于其强烈的温室效应，寻找优异的替代气体显得日益重要。本文对GIS母线采用SF6/N2混合气体时的绝缘和温升性能进行研究，为SF6/N2混合气体母线的研制及产品化应用提供了理论和实践依据。

关键词：SF6/N2混合气体;绝缘性能;温升性能

中图分类号：TM595文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）08-0134-03

Development of GIS Bus Adopting SF6/N2 Gas Mixtures

ZHANG Lei ZHAO Yantao YAN Feiyue ZHANG Luyang

（Henan Pingzhi High-voltage Switchgear Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467013）

Abstract： SF6 is widely used in GIS due to the excellent performance of insulation and arc extinguishing. However， because of the strong greenhouse effect， it is increasingly important to find out the substitution. The capability of insulation and temperature rise of GIS bus adopting SF6/N2 gas mixtures had been studied in this paper，which provided theoretical and practical basis for the development and productized application of bus adopting SF6/N2 gas mixtures.

Keywords： SF6/N2 gas mixtures;insulating property;temperature performance

SF6气体具有绝缘强度高、自恢复能力强等优点，广泛应用于高压开关领域。但是，SF6气体是被列入《京都议定书》的温室效应气体。因此，研究替代SF6的绝缘气体具有重要的环保意义。

SF6替代气体的研究基于两个思路。其一，寻找新型绝缘气体，直接替代SF6作为绝缘介质。其二，寻找SF6的混合物作为绝缘介质。目前，SF6/N2混合气体被公认是比较好的替代方案，肖登明、邱毓昌等对SF6/N2的绝缘性能进行了研究[1]。但是，针对GIS产品，利用SF6/N2混合气体的绝缘和温升性能，开展的研究和产品设计还比较少。

1 SF6/N2混合气体的绝缘性能

根据流注放电理论，混合气体发生自持放电的条件为：

[oxcrαdx=K]                                   （1）

式中，[α]为SF6/N2混合气体的有效电离系数;[K]为常数。

根据文献[2]，在SF6/N2组成的混合气体中，若SF6的体积分数为[x]，那么SF6/N2混合气体发生自持放电条件中的常数[K]满足以下条件：

[K=xKSF6+（1-x）KN2]                 （2）

式中，[KSF6=10.5];[KN2=5.0]。

式（1）中，混合气体的有效电离系数[α]等于构成混合气体的各组分气体有效电离系数按分子数量的加权平均值，故SF6/N2混合气体的有效电离系数为：

[α=xαSF6+1-xα]                    （3）

根據SF6气体放电理论，其有效电离系数[αSF6]满足关系[3]：

[αSF6P=ksEP-EPcr]                       （4）

根据N2气体放电理论，其有效电离系数[αN2]满足关系[4]：

[αN2][P=Ae-BPE]                                （5）

由式（1）至式（5）可得，混合气体的临界击穿场强[Ecr，mix]随其中SF6气体的体积分数[x]以及混合气体的总气压[p]的变化关系，进而可以得到：混合气体的临界击穿场强[Emixcr]与相同气压纯SF6气体的临界击穿场强[ESF6cr]之比[E0cr]随SF6体积分数[x]的变化关系，绘制出曲线Ⅰ，如图1所示。

[E0cr=EmixcrESF6cr]                              （6）

在进行混合气体母线设计时，可以参照现有的纯SF6母线规格参数和绝缘能力，确定混合气体母线的气体成分和气压，因此，需要确定达到相同的绝缘强度需要的混合气体压力[pmix]与纯SF6气体压力[pSF6]的比例关系，即

[p0=pmixpSF6]                                     （7）

由式（4）、式（5）和式（7）可知，[p0]與[E0cr]之间的关系为：

[p0=1E0cr]                                      （8）

这样可以得到相同绝缘能力下混合气体压力与纯SF6气体压力之比[p0]随混合气体中SF6的体积分数[x]的变化曲线Ⅱ，如图1所示。

混合气体中SF6的使用量[qmix]与等绝缘强度下纯SF6的气体使用量[qSF6]之比[q0]满足以下关系：

[q0=xp0]                                      （9）

这样可以得到相同绝缘能力下混合气体中SF6的使用量与纯SF6的气体使用量之比[p0]随混合气体中SF6的体积分数[x]的变化曲线Ⅲ，如图1所示。

由图1可知，SF6体积比为30%时，混合气体的绝缘能力已经达到等压力纯SF6的80%左右。要达到与纯SF6同样的绝缘强度，混合气体母线气压提升为纯SF6母线的1.33倍。

2 SF6/N2混合气体的温升性能

GIS设备对外散热共有3种形式，分别为热传导、对流和辐射.工程上，常把三种散热因素合并考虑，并用牛顿公式表达为;

[ps=KTAτ]                                    （10）

式中，[ps]为总散热功率;[A]为有效散热面积;[τ]为发热体温升;[KT]为综合散热系数。

由热平衡原理（发热=散热+温升）可知：

[Pdt=KTAτdt+cmdτ]                         （11）

式中，[P]为设备总发热功率;[c]为设备发热体比热;[m]为设备发热体质量;[dt]为时间间隔;[dτ]为温升变化量。

当设备达到热平衡状态时，发热量和散热量相等，设备的温升不变，此时，式（11）可以退化为：

[Pdt=KTAτdt]                            （12）

由此可知，采用混合气体绝缘和采用纯SF6绝缘的GIS母线达到热平衡状态时，系统的发热量相等，壳体和大气之间的散热系数相等，系统的散热面积相等，因此，采用混合气体替代纯SF6前后，壳体的温升不变。同样，高压侧部件的温升与绝缘气体的散热系数成反比，即

[T2，mix-T1T2，SF6-T1=KT，SF6KT，mix=[K0]                         ]（13）

式中，[T1]为壳体温升值;[T2，mix]为混合气体母线高压侧温升值;[T2，SF6]为纯SF6母线高压侧温升值;[KT，mix]为混合气体母线高压侧综合散热系数;[KT，SF6]为纯SF6母线高压侧综合散热系数;[K0]为换算系数。

GIS母线高压侧到低压侧的热量传递因素中，对流传热起主导作用，对流传热速率与绝缘气体的性质密切相关，工程中，用此对流传热系数近似表征高压侧的综合散热能力。由文献[5]可知，SF6/N2混合气体与纯SF6的对流传热系数满足以下关系：

[KT，mixKT，SF6=x+1.572.57pmixpSF60.6=1K0]                 （14）

式中，[pmix]为混合气体母线气体绝对压力;[pSF6]为纯SF6母线气体绝对压力。

综合式（13）和式（14），混合气体母线与纯SF6母线压力比一定时，高压侧温升值满足以下条件：

[T2，mix=K0TT2，SF6-K0-1T1]                   （15）

式中，

[K0=2.57x+1.57pSF6pmix0.6]。

在采用纯SF6绝缘的GIS母线温升试验数据的基础上，可以得到SF6/N2混合气体绝缘母线高压侧的温升值。这是SF6/N2混合气体母线温升的简易设计方法，在工程上非常实用。

3 SF6/N2混合气体母線的试验研究

3.1 试验样机简介

以平芝公司550 kV母线结构为基础，按照上述设计方法对SF6/N2混合气体母线进行开发，SF6/N2混合气体体积比为3∶7。

3.2 绝缘试验

绝缘试验姿态如图2所示，按照标准参数进行雷电冲击、操作冲击和工频试验，顺利通过。

3.3 温升试验

温升试验姿态如图3所示，通流1.1×6 300 A，试验数据、计算数据和采用纯SF6试验数据如表1所示。结果表明，试验值与计算值误差在2 K以内，温升设计方法可以满足工程需求。

4 结论

本文对SF6/N2混合气体的绝缘特性和温升性能进行了研究，得到了等绝缘强度下SF6/N2混合气体与纯SF6气体气压之间的关系，得到了SF6/N2混合气体母线的温升设计方法。通过对以上研究结果的应用，开发出SF6/N2混合气体母线，试验验证了SF6/N2混合气体母线绝缘和温升设计方法的正确性。

参考文献：

[1]肖登明，邱毓昌.SF6/N2和SF6/CO2的绝缘特性及其比较[J].高电压技术，1995（1）：16-18.

[2]阮全荣，谢小平.气体绝缘金属封闭输电线路工程设计研究与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[3]Beyer M，Boeck W，Mller K，et al.Hochspannung stechnik[M].Berlin：Springer Verlag，1986.

[4]Baumgartner R G.Dielectric characteristics of mixtures of sulfurhexafluoride（SF6）and Nitrogen[C]//3rd International Conference on Gas Discharges.1974.

[5]W Boeck，T R Blackburn，A H Cookson，et al.N2/SF6 Mixtures for Gas Insulated Systems[Z].2004.